半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法

2023-05-28 21:42:46

專利名稱：半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件的製造領域，尤其涉及一種半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法。
背景技術：
在過去的二十年裡，半導體固態系統以及液態和化學系統中的時空混沌特性得到了人們的廣泛關注。當所研究的系統被外加的不可測量頻率(即外加信號的頻率與系統的頻率之比為無理數)的信號驅動時，系統的動力學特性將變得非常複雜，表現出周期、準周期以及混沌等不同的動力學性質。近年來，碳基半導體材料與光電器件研究得到了人們的廣泛關注。碳納米管是由碳原子組成的一種結構簡單的準一維納米材料。根據手性特徵的不同，碳納米管可以表現出半導體、絕緣體以及金屬的性質。碳納米管上碳原子的P電子形成大範圍的離域η鍵，由於共軛效應顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質。由於碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以碳納米管具有很好的電學性能。由於半導體碳納米管具有獨特的電學性質，並且在半導體光電器件研究方面表現出很大潛力，從而引起人們的廣泛關注。目前，人們已經利用碳納米管研製出了場效應電晶體、電光轉換器件以及微機電傳感器等微納電子器件，這些器件表現出了較好的物理特性，甚至可以在室溫下工作。因此，半導體碳納米管在新型光電器件應用領域具有巨大的應用潛力和經濟效益。理論和實驗研究發現，佔據半導體碳納米管低能級的電子在直流電場作用下能夠躍遷到高能級，電子的有效質量變大，導致電子漂移速度增大到一個極大值後變小，出現負微分漂移速度效應。半導體碳納米管中電子的漂移速度峰值可以達到5X105m/s。利用漂移速度的負微分效應，人們可以研製基於半導體碳納米管的類耿氏振蕩器，即在碳納米管中形成周期性運動的空間電荷疇，從而在外電路中產生有規律的周期性電流振蕩，其振蕩頻率處於太赫茲(THz)頻率範圍。因此，半導體碳納米管可以用於設計THz輻射源。如果在自振蕩的碳納米管THz振蕩器上疊加一個交流小信號，且所述交流信號的頻率為自振蕩頻
率的G=(V + l)/2倍，則碳納米管振蕩器的電流振蕩將會變得很複雜，表現出周期、混沌等
不同的電流振蕩模式。如何區分、辨別這些不同的電流振蕩狀態是一個重要課題。在現有技術中，可以利用李雅普諾夫指數、分維數或者關聯維數等方法判斷非線性運動狀態，但上述各個方法的計算過程極其複雜且運算量大，在工程實際應用中存在很大困難。因此，如何提供一種實用的識別半導體非線性振蕩系統中的混沌信號的方法是一個亟待解決的問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，用於解決在現有技術中識別不同電流振蕩狀態存在計算過程複雜且運算量大等問題。
本發明提供一種半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，包括 步驟一，提供具有負微分漂移速度效應的半導體納米器件，將電壓Vd。的直流電場作用於所述半導體納米器件，使得所述半導體納米器件構成半導體非線性振蕩系統並產生電流振蕩並進入周期性的自振蕩狀態，其中，自振蕩頻率為fo;步驟二，對進入自振蕩狀態的所述半導體納米器件再疊加作為激勵的交流信號VaciSinO3If^t)的交流電場；步驟三，在穩定狀態下，利用第一返回圖中數據點的分布狀況而識別出所述半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態；所述第一返回圖是通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的，其中Jm 是系統在mTa。時刻的電流密度採樣值J(mTa。)，Tac是外加交流信號的周期，Tac = l/fa。。可選地，所述產生與識別方法還包括步驟四改變疊加的交流信號的振幅Va。，利用光譜儀得到所述半導體納米器件在不同交流電壓下產生的電流信號的頻譜，獲得非線性信號的能量分布特徵。可選地，在步驟一中，在電壓vd。的直流電場作用下，所述半導體納米器件中電子的運動可以通過漂移-擴散方程來描述；通過數值求解漂移-擴散方程，得到電子濃度和電場的時空分布特性以及電流隨時間的演化。可選地，所述第一返回圖是通過如下方式獲得的在所述半導體納米器件的電流響應進入穩定狀態以後，對於每一個激勵交流電Sva。，每隔一個激勵周期Ta。，採樣記錄一個電流值；記錄一定數量的交流信號激勵周期的電流值；通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數獲得第一返回圖。可選地，所述半導體納米器件為半導體碳納米管二極體，其手性指數η = 25，摻雜濃度為摻雜濃度 =1XIO1W0可選地，疊加的所述交流信號的振蕩頻率fa。= Gftl,其中，G=(W + l)/2。可選地，所述電流信號的運動狀態包括周期運動、準周期運動和混沌運動。本發明技術方案是利用在半導體納米器件上疊加交流信號後表現出周期和混沌等不同的電流振蕩模式的特點，通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的第一返回圖中的數據點的分布狀況而識別出半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態，相對於現有技術，具有操作簡單、識別簡便且準確的優點。


圖1為本發明半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法在第一實施方式中的流程示意圖。圖2為本發明半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法在第二實施方式中的流程示意圖。圖3為本發明半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法在具體實例中的電路示意圖。圖4顯示了直流偏壓為Vd。= 0. 75V時的電流隨時間演化的示意圖。圖fe和圖5b，顯示了疊加的交流信號在不同交流電壓振幅下呈現的電流振蕩圖像，其中，圖fe顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 116V時呈現的電流振蕩圖像，圖恥顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 193V時呈現的電流振蕩圖像。
圖6a和圖6b顯示了疊加的交流信號在不同交流電壓振幅下呈現的第一返回圖， 其中，圖6a顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 116V時呈現的第一返回圖， 圖6b顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 193V時呈現的第一返回圖。
具體實施例方式本發明的發明人發現在現有技術中，可以利用李雅普諾夫指數、分維數或者關聯維數等方法來判斷電流振蕩模式，但上述各個方法的計算過程極其複雜且運算量大，在工程實際應用中存在很大困難。因此，為防止上述各個問題，本發明的發明人對現有技術進行了改進，提出了一種半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，主要是利用刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的第一返回圖中的數據點的分布狀況而識別出半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態，具有操作簡單、識別簡便且準確的優點。以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想， 遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。圖1為本發明半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法在第一實施方式中的流程示意圖。如圖1所示，所述產生與識別方法包括如下步驟步驟S101，提供半導體納米器件，將電壓Vd。的直流電場作用於所述半導體納米器件，使得所述半導體納米器件構成半導體非線性振蕩系統並產生電流振蕩並進入周期性的自振蕩狀態，其中，自振蕩頻率為fo ；步驟S103，對進入自振蕩狀態的所述半導體納米器件再疊加作為激勵的交流信號 Vacsin(2Jifact)的交流電場；步驟S105，在穩定狀態下，利用第一返回圖中數據點的分布狀況而識別出所述半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態；所述第一返回圖是通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的，其中Jm是系統在mTa。時刻的電流密度採樣值J (mTa。)，Tac是外加交流信號的周期，Ta。= l/fa。。請參閱圖2，其顯示了本發明半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法在第二實施方式中的流程示意圖。相比於圖1所示的第一實施方式，在第二實施方式中，還包括步驟S107，改變疊加的交流信號的振幅Va。，利用光譜儀得到所述半導體納米器件在不同交流電壓下產生的電流信號的頻譜，獲得非線性信號的能量分布特徵。在上述第一實施方式和第二實施方式中，利用在半導體納米器件上疊加交流信號後表現出周期和混沌等不同的電流振蕩模式的特點，通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的第一返回圖中的數據點的分布狀況而識別出半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態。
以下以具體實例對上述描述進行詳細說明。在本具體實例中，我們是以是基於半導體碳納米管的兩端器件(以下簡稱為半導體碳納米管二極體)為例進行說明的，所述半導體碳納米管二極體中電子的速度-電場關係具有負微分漂移速度效應，即隨著電場的增大，漂移速度增大到一個極大值後減小。但，並不以此為限，在其他情況下，只要存在這樣的半導體納米器件，其電子的速度-電場關係具有負微分漂移速度效應，則所述半導體納米器件即可應用於本發明。首先，如提供有產生與識別電路示意圖的圖3所示提供半導體碳納米管C，半導體碳納米管C的直徑為2nm，長度為300nm，手性指數 η = 25，摻雜濃度為 =1 X IO17CnT3 ；將半導體碳納米管二極體C置於Si襯底上形成的SW2絕緣層I ；半導體碳納米管二極體C通過其兩端的兩個歐姆接觸電極D1、D2與外電場(包括直流電壓源11和函數發生器1 和探測電路(包括數字示波器13和光譜儀14)相連接， 其中，直流電壓源11配置有電阻R和電感L，函數發生器12配置有電阻R和電容Cl，數字示波器13配置有電容C2，光譜儀14配置有電容C3。接著，在t = 0時刻，將直流電壓源11產生的直流電壓Vd。作用於半導體碳納米管二極體C上，在直流電場作用下，半導體碳納米管二極體C中電子形成周期性運動的電荷疇，產生電流振蕩。在這裡，碳納米管二極體工作溫度為T= 10K，置於液氦製冷的低溫杜瓦中。電流信號通過導線(例如同軸電纜線)引出，利用數字示波器13記錄電流信號隨時間的演化關係，利用光譜儀14分析電流信號的頻譜特性。需說明的是，在直流電場作用下，半導體碳納米管二極體C中電子的運動可以通過漂移-擴散方程來描述。通過數值求解漂移-擴散方程，可以得到電子濃度和電場的時空分布特性以及電流隨時間的演化。圖4給出了直流偏壓為Vd。= 0. 75V時的電流隨時間演化的示意圖，如圖4所示，在經歷了短暫的瞬態過程之後，電流信號進入了穩定的周期性自振蕩狀態，自振蕩頻率為fQ = 1. 69THz。接著，在系統的電流振蕩進入穩定狀態後，利用函數發生器產生交流信號 VacSin (2 π fact)，在t = 3. 928ps時刻，將交流信號Va。sin (2 π fact)作為激勵疊加在進入自振蕩狀態的半半導體碳納米管二極體C的兩端。當在自振蕩的碳納米管系統上疊加一個交流電流後，系統的電流振蕩將出現明顯的變化，電流振蕩的模式受到外加交流電場的振幅的影響，呈現出包括周期和混沌等不同的狀態。請參閱圖如和圖恥，顯示了疊加的交流信號在不同交流電壓振幅下呈現的電流振蕩圖像，其中，圖fe顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 116V 時呈現的電流振蕩圖像，圖恥顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 193V 時呈現的電流振蕩圖像。在圖fe和圖恥中，交流信號Va。Sir^2Jifa。t)中的振蕩頻率 Lc= G/o = (V5+l)/2D/0 = (V5+l)/2xl.69 2.73^^。參看圖和圖5b，可以看出，在圖中，在Vae = 0. 116V時，電流振蕩現象比較複雜，屬於混沌狀態；而在圖恥中，在Vae = 0. 193V時，電流振蕩表現出有規則的振蕩模式，
屬於周期運動。為了區分這些非線性運動狀態的性質，我們需要藉助於其它分析手段。第一返回圖就是一種非常有效的非線性運動狀態鑑別手段。
在系統的電流響應進入穩定狀態以後，在半導體碳納米管二極體C的電流響應進入穩定狀態以後，對於每一個激勵交流電壓Va。，每隔一個激勵周期Ta。，採樣記錄一個電流值；記錄一定數量(例如300個)的交流信號激勵周期的電流值；通過刻畫電流密度Jlrt作為Jm的函數獲得第一返回圖，其中Jm是系統在mTa。時刻的電流密度採樣值J(mTa。)，Tac是外加交流信號的周期，Tac = l/fa。。利用第一返回圖中數據點的分布狀況而識別出半導體碳納米管二極體C中電流信號的運動狀態。具體來講，如果電流信號的運動狀態屬於η-周期運動狀態，其第一返回圖是η個獨立的點；如果電流信號的運動狀態屬於準周期運動狀態，其第一返回圖表現為數據點均勻分布的閉合曲線；如果電流信號的運動狀態屬於混沌運動狀態，其第一返回圖中的數據點分布很不均勻，形成不規則的圖形。圖6a和圖6b顯示了疊加的交流信號在不同交流電壓振幅下呈現的第一返回圖， 其中，圖6a顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 116V時呈現的第一返回圖， 圖6b顯示了疊加的交流信號在交流電壓振幅為Vae = 0. 193V時呈現的第一返回圖。從圖 6a和6b中可以看出，在Vae = 0. 116V時，其第一返回圖中的數據點分布很不均勻，符合混沌運動狀態的判定；而當Va。= 0. 193V時，第一返回圖顯示的是兩個獨立的點，表明系統進入頻率鎖定的2-周期運動狀態。額外地，利用圖3的裝置，我們還可以得到非線性運動狀態的頻譜圖。改變疊加的交流信號的振幅Va。，利用光譜儀14可以得到半導體碳納米管二極體C在不同交流電壓下產生的電流信號的頻譜，這些頻譜圖也能揭示周期信號和混沌信號的能量分布特徵，其中， η-周期信號的能量主要分布在f= (i/n)fac(i = 1,2,3,...)附近，而混沌信號的能量分布範圍較廣，除了在f = ifa。處出現能量峰值外，在其他頻率點附近也有較大的能量分布。綜上所述，具有負微分漂移速度效應的半導體納米器件在直流電壓偏置下會表現出電流自振蕩現象，當再疊加一個微小的交流電壓信號時，半導體納米器件的電流振蕩表現出周期和混沌等不同的電流振蕩模式，這些不同振蕩模式的出現與外加交流信號的振幅和頻率有關，本發明技術方案是利用上述特徵，通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的第一返回圖中的數據點的分布狀況而識別出半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態，相對於現有技術，具有操作簡單、識別簡便且準確的優點。上述實施例僅列示性說明本發明的原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此項技術的人員均可在不違背本發明的精神及範圍下，對上述實施例進行修改。因此，本發明的權利保護範圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.一種半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，其特徵在於，包括步驟一，提供具有負微分漂移速度效應的半導體納米器件，將電壓Vd。的直流電場作用於所述半導體納米器件，使得所述半導體納米器件構成半導體非線性振蕩系統並產生電流振蕩並進入周期性的自振蕩狀態，其中，自振蕩頻率為fo ；步驟二，對進入自振蕩狀態的所述半導體納米器件再疊加作為激勵的交流信號 Vacsin(2Jifact)的交流電場；步驟三，在穩定狀態下，利用第一返回圖中數據點的分布狀況而識別出所述半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態；所述第一返回圖是通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的，其中丄是系統在mTa。時刻的電流密度採樣值J(mTa。)，Ta。是外加交流信號的周期，Tac = l/fac0
2.如權利要求1所述的半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，其特徵在於，還包括步驟四改變疊加的交流信號的振幅Va。，利用光譜儀得到所述半導體納米器件在不同交流電壓下產生的電流信號的頻譜，獲得非線性信號的能量分布特徵。
3.如權利要求1所述的半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，其特徵在於，在步驟一中，在電壓Vd。的直流電場作用下，所述半導體納米器件中電子的運動可以通過漂移-擴散方程來描述；通過數值求解漂移-擴散方程，得到電子濃度和電場的時空分布特性以及電流隨時間的演化。
4.如權利要求1所述的半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，其特徵在於，所述第一返回圖是通過如下方式獲得的在所述半導體納米器件的電流響應進入穩定狀態以後，對於每一個激勵交流電壓Va。， 每隔一個激勵周期Ta。，採樣記錄一個電流值；記錄一定數量的交流信號激勵周期的電流值；通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數獲得第一返回圖。
5.如權利要求1所述的半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，其特徵在於，所述半導體納米器件為半導體碳納米管二極體，其手性指數η = 25，摻雜濃度為摻雜濃度 Nd = IXlO1W30
6.如權利要求1或5所述的半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法， 其特徵在於，疊加的所述交流信號的振蕩頻率fa。= Gftl,其中，G=(V + l)/2。
7.如權利要求1或2所述的半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法， 其特徵在於，所述電流信號的運動狀態包括周期運動、準周期運動和混沌運動。
全文摘要
本發明提供一種半導體非線性振蕩系統中非線性信號的產生與識別方法，包括提供具有負微分漂移速度效應的半導體納米器件，將電壓的直流電場作用於半導體納米器件，使得半導體納米器件產生電流振蕩並進入周期性的自振蕩狀態，自振蕩頻率為；對半導體納米器件再疊加作為激勵的交流信號的交流電場；在穩定狀態下，利用第一返回圖中數據點的分布狀況而識別出半導體非線性振蕩系統中電流信號的運動狀態；第一返回圖是通過刻畫電流密度Jm+1作為Jm的函數來獲得的，其中Jm是系統在mTac時刻的電流密度採樣值J(mTac)，Tac是外加交流信號的周期，Tac=1/fac。相較於現有技術，本發明具有操作簡單、識別簡便且準確的優點。
文檔編號G01R31/00GK102495321SQ20111043142
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者曹俊誠, 王長 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所